Qui viene presentato un protocollo quantitativo basato sulla reazione a catena della polimerasi in tempo reale per la determinazione del contenuto di micro-RNA nativo (assoluto/relativo) delle particelle di lipoproteina. Inoltre, è dimostrato un metodo per aumentare il livello di micro-RNA, nonché un metodo per determinare il tasso di captazione cellulare delle particelle di lipoproteina.
Le particelle di lipoproteina sono prevalentemente trasportatori di lipidi e colesterolo nel sangue. Inoltre, contengono piccole quantità di filamenti di microRNA non codificante (miRNA). In generale, miRNA altera il profilo delle espressioni proteiche a causa delle interazioni con il Messaggero-RNA (mRNA). Pertanto, la conoscenza del contenuto di miRNA relativo e assoluto delle particelle di lipoproteina è essenziale per stimare l’effetto biologico dell’assorbimento delle particelle cellulari. Qui viene presentato un protocollo quantitativo basato sulla reazione a catena della polimerasi (qPCR) in tempo reale per determinare il contenuto di miRNA assoluto delle particelle di lipoproteina, esemplificato come mostrato per le particelle di lipoproteina arricchite con miRNA. Il contenuto di miRNA relativo è quantificato utilizzando schede di array microfluidici multiwell Program. Inoltre, questo protocollo consente agli scienziati di stimare il miRNA cellulare e, quindi, il tasso di captazione delle particelle lipoproteiche. Un aumento significativo del livello di miRNA cellulare è osservabile quando si utilizzano particelle di lipoproteina ad alta densità (HDL) caricate artificialmente con miRNA, mentre l’incubazione con particelle di HDL native non produce alcun effetto significativo a causa del loro contenuto di miRNA piuttosto basso. Al contrario, l’assorbimento cellulare delle particelle di lipoproteina a bassa densità (LDL), né con miRNA nativo né caricato artificialmente, non ha alterato il livello di miRNA cellulare.
Le particelle di lipoproteina sono composte da un monostrato di lipidi e colesterolo amphiphilici che racchiude un nucleo di esteri di colesteryl e grassi del trigliceride. L’intera particella è stabilizzata da apolipoproteine incorporate nella membrana, che definiscono la funzionalità biologica della particella. Le particelle di lipoproteina possono essere distinte in base alla loro rispettiva densità crescente e, quindi, diminuire le dimensioni, vale a dire come lipoproteina a bassissima densità (VLDL), lipoproteina a densità intermedia (IDL), LDL e particelle di HDL. Nonostante il trasporto di componenti insolubili in acqua nel sangue, è stato dimostrato che le particelle di HDL trasportano filamenti non codificanti di Mirna1,2. I micro-RNA sono una classe di brevi filamenti (di solito due dozzine di nucleotidi), che degradano i filamenti di mRNA intracellularmente complementari e, quindi, modificano il profilo di espressione di certe proteine3,4,5, 6. il Inoltre, le alterazioni del profilo di miRNA sono state trovate in una varietà di malattie e, pertanto, il profilo è applicabile come un biomarcatore per la diagnosi e la prognosi. Il trasporto extracellulare di Mirna tra le cellule attraverso le particelle lipoproteiche può fungere da meccanismo aggiuntivo per la modulazione del livello di mRNA intercellulare. Per stimare quantitativamente l’effetto biologico, è necessaria la conoscenza del contenuto di miRNA assoluto e relativo delle particelle di lipoproteina.
La PCR in tempo reale quantitativa è un metodo adatto e relativamente rapido per ottenere queste informazioni. Pertanto, il valore di quantificazione relativa (RQ) può essere calcolato e le differenze relative tra i diversi campioni e le frazioni di lipoproteina sono stimabili. Le schede di matrice microfluidica multiwell sono un metodo rapido e facile da usare per determinare la presenza relativa (equivale al valore RQ) dei miRNA in un campione. Le schede di matrice microfluidica multiwell consistono di 96 o 384 camere di reazione individuali per le singole reazioni qPCR incorporate in un dispositivo microfluidico. Ogni camera contiene la sonda di idrolisi richiesta e i primer qPCR specifici per un singolo miRNA. I vantaggi sono un breve tempo di gestione dovuto alla standardizzazione, un semplice flusso di lavoro e un numero ridotto di passaggi di pipettaggio. Inoltre, il volume campione richiesto è minimizzato. Contrariamente alla quantificazione relativa, il contenuto assoluto di miRNA richiede un confronto dei risultati dei campioni qPCR con curve standard di numeri assoluti noti di filamenti miRNA. Va notato che, a causa del loro contenuto di miRNA relativamente basso, le tecniche di imaging sensibili a singola molecola non sono realizzabili: l’arricchimento artificiale delle particelle di lipoproteina con miRNA è inevitabile per studiare interazione delle particelle di lipoproteina e trasferimento di miRNA. Per quanto riguarda questo, delipidazione della particella HDL seguita con successiva relipidazione7 permette l’incorporazione di e, quindi, arricchimento con filamenti Mirna. L’arricchimento simile delle particelle LDL con miRNA non è fattibile a causa dell’idrofobicità della proteina apoB-100, che è il costituente principale della particella LDL. Tuttavia, con l’aggiunta del solvente polare dimetilsolfossido (DMSO), che è in grado di penetrare le membrane lipidiche, le particelle di LDL possono essere caricate artificialmente con filamenti di miRNA pure.
La microscopia a forza atomica ad alta velocità (HS-AFM) è un potente strumento per la caratterizzazione di esemplari biologici che offrono una risoluzione temporale di subnanometro spaziale e subsecondo8. Quindi, è una tecnica ben adatta per il controllo di qualità delle particelle di lipoproteina modificate come particelle lipoproteiche native/ricostituite/etichettate possono essere immagine in un ambiente quasi fisiologico.
Qui, un protocollo basato su qPCR viene presentato passo-passo per determinare il contenuto di miRNA assoluto/relativo di particelle di lipoproteina e campioni di cellule, che consente una stima del tasso di assorbimento delle particelle di lipoproteina cellulare. Inoltre, è dimostrato un metodo per l’arricchimento delle particelle di lipoproteina con miRNA. Questo metodo può essere adattato per la manipolazione generale del contenuto di lipoproteine e, quindi, dimostra l’applicabilità delle particelle di lipoproteina come bersagli per la somministrazione di farmaci.
Qui, l’isolamento delle frazioni di particelle di lipoproteina dal sangue umano e la determinazione del loro contenuto di miRNA individuale è descritta passo-passo. È fondamentale lavorare in un ambiente privo di RNAsi durante la manipolazione di miRNA isolati e sintetizzati — il miRNA incorporato in particelle è ovviamente riparato dalla degradazione enzimatica. Poiché il rapporto miRNA/particelle delle particelle di lipoproteina nativa è piuttosto basso, è necessario un arricchimento artificiale con miRNA per studiare l’assorbimento delle particelle di Holo nelle cellule. In tal modo, la ricostituzione delle particelle HDL come descritto in precedenza7 viene modificata per incorporare i filamenti di Mirna. Inoltre, la separazione della frazione lipidica e proteica durante questa procedura consente agli scienziati di esaminare i componenti associati ai lipidi e alle proteine della particella di lipoproteina19. Analogamente, la procedura di etichettatura delle particelle LDL è adattata. È interessante notare che l’aggiunta di Spermine — uno stabilizzatore naturale di nucleotidi — non ha influenzato il rapporto miRNA/particella. Va notato che, in linea di principio, il metodo consente l’inpiegatura di altre sostanze di miRNA all’interno di una particella di lipoproteina. Naturalmente, c’è un limite per quanto riguarda le dimensioni fisiche della sostanza in base alla dimensione complessiva di HDL (diametro: 5-12 Nm) e particelle LDL (diametro: 18-25 Nm).
Per quanto riguarda il controllo di qualità delle particelle lipoproteiche ricostituite/etichettate, HS-AFM è un metodo applicabile per caratterizzare le particelle HDL/LDL a livello di singola particella. Rispetto all’EM, consente tempi di preparazione più brevi e condizioni quasi fisiologiche (bagnato, temperatura ambiente).
Grazie alla sua intrinseca sensibilità e amplificazione, qPCR è il metodo di scelta per rilevare basse concentrazioni di miRNA. In alternativa, la microscopia a fluorescenza sensibile a singola molecola, che è in grado di rilevare anche singole molecole, non sarebbe adatta a causa delle basse concentrazioni, ad esempio, di filamenti di miRNA con etichetta fluorescente per particella. Così, il rapporto dei filamenti di miRNA per particella di lipoproteina nativa è stato trovato per essere 10-8. L’arricchimento artificiale aumenta il rapporto di un fattore di 10.000, che facilita la stima del tasso di assorbimento della lipoproteina cellulare (non viene rilevata alcuna differenza significativa utilizzando le particelle di lipoproteina nativa 19). L’elevata sensibilità della qPCR consente di determinare questo tasso di assorbimento misurando il numero di filamenti di miRNA dopo il tempo di incubazione e il rapporto miRNA/particella. Va notato che il valore calcolato ignora la degradazione cellulare e il rilascio di miRNA e, pertanto, rappresenta almeno un limite inferiore per il rapporto di assorbimento delle particelle di lipoproteina.
In futuro, il metodo può essere adattato per trasferire le sostanze farmaceutiche (in particolare anche quelle lipofiliche) nelle cellule e correlare il loro effetto biologico alla concentrazione intracellulare (determinata attraverso il tasso di assorbimento delle particelle di lipoproteina).
The authors have nothing to disclose.
Quest’opera è stata sostenuta dal progetto del Fondo scientifico austriaco P29110-B21, dal progetto “Hochschuljubiläumsstiftung der Stadt Wien zur Förderung der Wissenschaft” H-3065/2011, dal Fondo europeo per lo sviluppo regionale (EFRE, IWB2020), dallo stato federale di alta Austria, e la “terra OÖ Basisfinanzierung”.
Ultracentrifuge | Beckman | Optima L-100 XP | Lipoprotein isolation |
Ultracentrifuge rotor | Beckman | TI 55.2 | Lipoprotein isolation |
Vacutainer (EDTA) | Becton Dickinson | 366643 | Lipoprotein isolation |
Kaliumbromid | Sigma Aldrich | 2110 | Lipoprotein isolation |
Ultracentrifuge tubes | Beckman | 342414 | Lipoprotein isolation |
Ultracentrifuge tube sealer | Beckman | 342428 | Lipoprotein isolation |
Sodiumchlorid | Carl Roth GmbH | P029.2 | Lipoprotein isolation |
EDTA | Fisher Scientific | D/0650/50 | Lipoprotein isolation |
Dialysis tubes, MWCO 12 – 14k | Spectra | 132700 | Lipoprotein isolation |
synthetic miRNA | microSynth | – | synthetic miRNA |
TRIS buffer pH 7 | Ambion | AM9850G | synthetic miRNA |
TRIS buffer pH 8 | Ambion | AM9855G | synthetic miRNA |
sterile tubes | Carl Roth GmbH | ENE8.1 | synthetic miRNA |
Photometer | Eppendorf | Eppendorf Biophotometer | Bradford assay |
Cuvette | Carl Roth GmbH | XK20 | Bradford assay |
Coomassie G-250 Stain | BioRad GmbH | 161-0786 | Bradford assay |
Sodiumchlorid | Carl Roth GmbH | 3957.1 | Delipitation |
EDTA | Fluka Analytical | 03690-100ML | Delipitation |
TRIS buffer pH 8.0 | Ambion | AM9855G | Delipitation |
Ethanol 100% | AustrAlco | Ethanol Absolut 99.9% | Delipitation |
Diethyl ether | Carl Roth GmbH | 3942.1 | Delipitation |
Centrifuge | Thermo Scientific | Multifuge X3R | Delipitation |
Chloroform | Carl Roth GmbH | 3313.1 | Reconstitution |
Methanol | Carl Roth GmbH | 4627.1 | Reconstitution |
Phosphatidylcholine | Sigma Aldrich GmbH | P3556-25mg | Reconstitution |
Cholesterol oleate | Sigma Aldrich GmbH | C-9253-250mg | Reconstitution |
cholesterol | Sigma Aldrich GmbH | C8667-500mg | Reconstitution |
glass tubes | Carl Roth GmbH | K226.1 | Reconstitution |
spermine | Sigma Aldrich GmbH | S3256-1G | Reconstitution |
Thermomixer | Eppendorf | Thermomixer comfort | Reconstitution |
Sodium deoxycholate | Sigma Aldrich GmbH | 3097-25G | Reconstitution |
Magnetic stir bar | Carl Roth GmbH | 0955.2 | Reconstitution |
100µL micropipettes | Carl Roth GmbH | A762.1 | Reconstitution |
PBS | Carl Roth GmbH | 9143.2 | Dialysis |
Amberlite XAD-2 beads | Sigma Aldrich GmbH | 10357 | Dialysis |
Slide-A-Lyzer casette (cut-off 20 kDa) | Thermo Scientific | 66003 | Dialysis |
Syringe | Braun | 9161406V | Dialysis |
Syringe needle | Braun | 465 76 83 | Dialysis |
EGTA | Carl Roth GmbH | 3054.2 | Labeling of LDL particles |
DMSO | life technologies | D12345 | Labeling of LDL particles |
Atomic Force Microscope | RIBM | SS-NEX | Quality control of reconstituted/labeled lipoprotein particles |
Muscovite Mica (V-1 Grade) | Christine Gröpl | G250-1/V1 | Quality control of reconstituted/labeled lipoprotein particles |
AFM Cantilever | Nanoworld | USC-F1.2-k0.15 | Quality control of reconstituted/labeled lipoprotein particles |
Gwyddion 2.49 | Czech Metrology Institute | http://gwyddion.net | Quality control of reconstituted/labeled lipoprotein particles |
Chamber slides, Nunc Lab-Tek | VWR | 734-2122 | Cell culture |
HBSS | Carl Roth GmbH | 9117.1 | Cell culture |
Cell counter | Omni Life Science GmbH | Casy | Cell culture |
miRNeasy Mini Kit | QIAGEN | 217004 | miRNA extraction |
Centrifuge | Eppendorf | 5415R | miRNA extraction |
20G needle | Braun | Sterican 465 75 19 | miRNA extraction |
5ml syringe | Becton Dickinson | 309050 | miRNA extraction |
PCR cabinet | Esco | PCR-3A1 | Reverse Transcription |
TaqMan Reverse Transcription Kit | Thermo Scientific | 4366596 | Reverse Transcription |
Rnase-free water | Carl Roth GmbH | T143 | Reverse Transcription |
0.2 ml tubes | Brand | 781305 | Reverse Transcription |
Centrifuge | Carl Roth GmbH | Microcentrifuge AL | Reverse Transcription |
Thermocycler | Sensoquest | Labcycler | Reverse Transcription |
TaqMan Primer | Thermo Scientific | – | qPCR |
iTaq Universal probe supermix | BioRad GmbH | 1725131 | qPCR |
PCR machine | Corbett | Rotor-Gene RG-6000 | qPCR |
TaqMan MicroRNA Reverse Transcription Kit | Applied Biosystems | 4366596 | TaqMan Array |
Megaplex RT Primers, Human Pool A v2.1 | Applied Biosystems | 4399966 | TaqMan Array |
TaqMan PreAmp Master Mix | Applied Biosystems | 4391128 | TaqMan Array |
Megaplex PreAmp Primers, Human Pool A v2.1 | Applied Biosystems | 4399933 | TaqMan Array |
TaqMan Universal Master Mix II, no UNG | Applied Biosystems | 4440040 | TaqMan Array |
TaqMan Advanced miRNA Human A Cards | Applied Biosystems | A31805 | TaqMan Array |
Nuclease-free water | Thermo Scientific | R0581 | TaqMan Array |
MgCl2 (25mM) | Thermo Scientific | R0971 | TaqMan Array |
TE, pH 8.0 | Invitrogen | AM9849 | TaqMan Array |
7900HT Fast Real-Time PCR System | Applied Biosystems | 4351405 | TaqMan Array |
TaqMan Array Card Sealer | Applied Biosystems | – | TaqMan Array |